运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核环境遥操纵机器人及自动化技术领域，更具体地说是涉及一种运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法。
【背景技术】
[0002]托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，其中央是一个外面缠绕着线圈的环形真空室；在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。全托卡马克装置的内部舱体一般被称为核聚变反应舱，作为当代核能源产生和制备的核心载体，其内部环境属于一种典型极端环境，一方面具有强辐射、高温、强磁场以及高真空等物理特点，另一方面，反应舱内部设备众多，管道错综复杂，通道狭隘，工作空间小，再加上舱内的某些部件会受到放射性和有毒物质的污染，即使在设备的维护保养期间维护人员也不能或不宜直接对反应舱内部相关部件进行操作，因此需要借助于舱外遥操纵手段，通过一种智能型机电设备替代人类进入舱内完成相应的作业任务。为了应对反应舱内部的恶劣环境，保证核聚变反应堆的正常工作秩序，需要一类特种机器人，以应对反应舱内部件的两大类日常操作任务，一类是观测、侦察和巡检等对各种状态信息的采集、处理、表示和识别等任务，用于监视核聚变反应堆的具体工作情况，以便为异常情况出现时采取相应的决策提供依据；另一类是拆卸、装配、回收、运送和修复等操作性任务，用于对核聚变反应堆的性能维护和常态化保养，以维持核聚变反应堆的正常工作能力，最终实现对核聚变反应舱内部件操作的自动化、灵活性和稳定性。
[0003]目前国内外对于核聚变舱遥操纵机器人的公开报道为数不多。荷兰爱思唯尔(Elsevier)科学出版公司出版的《聚变工程与设计》(Fus1n Engineering and Design，83 (2008)，pp: 1833 - 1836.)中公开了一种 Articulated Inspect1n Arm(AIA)机器人，属于一种针对核聚变舱环境的悬空式机器人，采用五个关节的模块化设计，每个关节处分别有一个俯仰自由度和一个偏转自由度，偏转运动由安装在模块内的驱动电机提供，俯仰运动由平行四边形杆内的螺旋千斤顶处的电机提供，各电机输出轴的运动通过钢索传递至大角度回转关节索轮处，带动机器人各模段之间产生相对回转运动，该机器人可在核聚变舱物理实验的间歇期内进入舱内移动，对真空室第一壁进行近距离观测，监测全托卡马克装置在运行期间真空室内的工作情况；但由于该机器人属于悬臂式结构，一方面其动力驱动装置分别集成在各机械臂关节内部，增加了机器人关节臂的重量，加大了机器人末端支撑装置的承载负担，使得机器人总体尺寸不宜过长，从而限制了机器人在核聚变舱内的探测活动空间范围；另一方面由于该机器人各关节行走机构的回转运动需要各自驱动装置同步协调控制，步态轨迹较难精准规划，且受机械臂自重的干扰，机器人前端探测装置在运行过程中容易出现抖动现象，影响了系统的定位精度和运动稳定性。
[0004]中国专利申请CN102233575A公开的一种用于核辐射环境下的小型应急救援及探测机器人，其行走机构采用履带式底盘结构，驱动电机放置在底盘中部，通过链条驱动履带运行，底盘前端设有四自由度机械手，伽马相机及成像系统位于机器人后部，可以对核环境下的辐射强度和方位进行探测，并通过机器人机械臂进行应急处理；该机器人的行走机构虽然具备一定的通过能力，可用于核聚变舱外围的一些非结构化环境，但仍然无法在几何构造条件苛刻的核聚变舱内部空间运行，限制了其使用范围。
【发明内容】
[0005]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法，以克服现有技术中悬臂式方案所造成的对核聚变舱内部空间探测范围及定位精度有限并且运行不稳定等缺陷，使其运动轨迹可遍及整个核聚变舱底部的大双环形槽道，运动步态类似多节蠕虫行走，运行稳定性好且控制简单，可通过搭载视觉观测云台实现对核聚变舱内部空间三个自由度的全方位视觉信息采集，也可通过搭载桅杆、机械手或其他操作工具实现对核聚变舱内工作部件的组合性能维护，以期降低机器人本体对承载能力的要求，改善核环境遥操纵机器人平台对核聚变舱内部结构化特定环境的运动适应性。
[0006]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0007]本发明运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法的特点是:由前体节侧向定位模块与后体节侧向定位模块在中体节轴向运动模块的两端对称设置构成行走机构，以所述行走机构作为蠕动单元，由至少两个蠕动单元串联构成多段蠕动式蛇形机器人，相邻的蠕动单元之间由伸缩式弹性双万向节相连接；所述控制方法是:
[0008]所述多段蠕动式蛇形机器人按如下步骤完成一个前进步距的行走过程:
[0009]步骤1:各婦动单元中的前体节侧向定位模块和后体节侧向定位模块均处于锁止状态，中体节轴向运动模块处于最小缩短状态；相邻蠕动单元之间的伸缩式弹性双万向节处于最大伸长状态；多段蠕动式蛇形机器人定位在位置A处；
[0010]步骤2:各蠕动单元中的前体节侧向定位模块设置为解锁状态，各后体节侧向定位模块保持在锁止状态，各中体节轴向运动模块同步伸长直至达到最大伸长状态；相邻蠕动单元之间的伸缩式弹性双万向节同步缩短直至达到最小缩短状态；多段蠕动式蛇形机器人在由位置A向位置B的行进中；
[0011]步骤3:各蠕动单元中的前体节侧向定位模块设置为锁止状态，各后体节侧向定位模块设置为解锁状态，各中体节轴向运动模块同步缩短直至达到最小缩短状态；相邻蠕动单元之间的伸缩式弹性双万向节同步伸长直至达到最大伸长状态，多段蠕动式蛇形机器人行进到位置B处；
[0012]步骤4:各蠕动单元中的前体节侧向定位模块保持在锁止状态，后体节侧向定位模块进入锁止状态，中体节轴向运动模块保持在最小缩短状态；相邻蠕动单元之间的伸缩式弹性双万向节保持在最大伸长状态，多段蠕动式蛇形机器人定位在位置B处；
[0013]所述多段蠕动式蛇形机器人按如下步骤完成一个后退步距的行走过程:
[0014]步骤1:各婦动单元中的前体节侧向定位模块和各后体节侧向定位模块均处于锁止状态，中体节轴向运动模块处于最小缩短状态；相邻蠕动单元之间的伸缩式弹性双万向节处于最大伸长状态，多段蠕动式蛇形机器人定位在位置A处；
[0015]步骤2:各蠕动单元中的前体节侧向定位模块保持为锁止状态，后体节侧向定位模块设置为解锁状态，中体节轴向运动模块同步伸长直至达到最大伸长状态；相邻蠕动单元之间的伸缩式弹性双万向节同步缩短直至达到最小缩短状态，多段蠕动式蛇形机器人处在由位置A向位置C的行进中；
[0016]步骤3:各蠕动单元中的前体节侧向定位模块设置为解锁状态，后体节侧向定位模块设置为锁止状态，中体节轴向运动模块同步缩短直至达到最小缩短状态；相邻蠕动单元之间的伸缩式弹性双万向节同步伸长直至达到最大伸长状态，多段蠕动式蛇形机器人行进到位置C处；
[0017]步骤4:各蠕动单元中的前体节侧向定位模块设置为在锁止状态，后体节侧向定位模块保持在锁止状态，中体节轴向运动模块保持在最小缩短状态；相邻蠕动单元(之间的伸缩式弹性双万向节保持在最大伸长状态，多段蠕动式蛇形机器人定位在位置C处。
[0018]本发明运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法的特点也在于:
[0019]所述前体节侧向定位模块的结构设置为:电驱动子模块固装于承载子模块的内部，并有具有相同的结构形式的内侧对开支撑子模块和外侧对开支撑子模块对称设置于所述电驱动子模块的左右两侧；所述内侧对开支撑子模块和外侧对开支撑子模块的一端分别固联于电驱动子模块的左右两侧设定位置处，另一端分别沿所述电驱动子模块的左右侧向可伸缩运动并以所述承载子模块为导轨；在所述前体节侧向定位模块的顶部，位于中央设置前体节热控装置，位于侧部设置前体节配重系统，所述前体节配重系统处在前体节侧向定位模块中外侧对开支撑子模块的上方；
[0020]所述后体节侧向定位模块与所述前体节侧向定位模块具有相同的结构形式；在所述后体节侧向定位模块的顶部，位于中央设置后体节热控装置，位于侧部设置后体节配重系统，所述后体节配重系统处在所述后体节侧向定位模块中外侧对开支撑子模块的上方；
[0021]所述中体节轴向运动模块的结构设置为:前节段子模块固装于壳体子模块的内部；所述前节段子模块和后节段子模块在壳体子模块的内部相联并且相互间沿前后方向可相对运动，形成可伸缩的中体节轴向运动模块，所述后节段子模块突出于所述中体节轴向运动模块的尾部端面；在所述中体节轴向运动模块的顶部，位于中央设置中体节热控装置；
[0022]在所述前体节侧向定位模块与中体节轴向运动模块之间以前双万向节相联接，在所述后体节侧向定位模块与中体节轴向运动模块之间以后双万向节相联接。
[0023]本发明运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法的特点也在于:
[0024]所述伸缩式弹性双万向节的组成构件包括:前节段、后节段、前俯仰限位片、后俯仰限位片、中节段筒体、中节段杆体和压缩弹簧；所述前节段和后节段具有相同结构形式，所述前俯仰限位片和后俯仰限位片具有相同结构形式；
[0025]所述中节段筒体是由中节段筒体万向接口端和中节段筒体线性接口端构成，所述中节段杆体是由中节段杆体万向接口端和中节段杆体线性接口端构成；所述中节段筒体线性接口端与中节段杆体线性接口端以花键配合，并能够在轴向相对移动，在所述中节段筒体线性接口端和中节段杆体线性接口端之间设置压缩弹簧形成轴向可弹性伸缩结构；
[0026]所述前节段的一端通过前十字结与中节段筒体万向接口端构成上下俯仰及左右偏转二维转动连接，另一端与前方相邻的蠕动单元中的后体节侧向定位模块中的前侧板固联；后节段的一端通过后十字结与中节段杆体万向接口端构成上下俯仰及左右偏转二维转动连接，另一端与后方相邻的蠕动单元中的前体节侧向定位模块的前侧板固联；两只所述前俯仰限位片呈上下对称固装于前节段的顶面和底面，两只所述后俯仰限位片呈上下对称固装于后节段的顶面和底面。
[0027]本发明运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法的特点也在于:所述伸缩式弹性双万向节中的中节段筒体线性接口端与中节段杆体线性接口端之间的轴向可相对移动距离不小于各蠕动单元内部中体节轴向运动模块中的前节段子模块与后节段子模块之间沿前后方向的可相对运动距离。
[0028]本发明运行在核聚变舱中的多段蠕动式蛇形机器人的控制方法的特点也在于:
[0029]所述前体节侧向定位模块中承载子模块的结构设置为:
[0030]以第一矩形底板为底面，以第一矩形顶板为顶面，在所述第一矩形底板和第一矩形顶板之间以前侧板为前端面、以后侧板为后端面，以内斜板为左端面，以外斜板为右端面形成前体节矩形框架；
[0031]在所述前体节矩形框架的外部，位于所述内斜板上设置有内滚球支承装置，位于所述外斜板上设置有外滚球支承装置，以所述内滚球支承装置和外滚球支承装置作为所述前体节矩形框架在左端面和右端面上的支撑件；在所述前体节矩形框架的外部，位于所述第一矩形底板上设置有万向脚轮，以所述万向脚轮作为所述前体节矩形框架在底面的支撑件；所述内滚球支承装置是以核聚变舱中大双环形槽道的内环壁为支撑面；所述外滚球支承装置是以所述核聚变舱中大双环形槽道的外环壁为支撑面；
[0032]所述前体节侧向定位模块中电驱动子模块的结构设置为:
[0033]在所述前体节矩形框架的内部，位于所述第一矩形底板上并处在同轴线的位置上依次设置对开支撑子模块固定支座、第一电机支座、第一轴承支座和第二轴承支座；在所述第一电机支座上固定安装第一真空伺服减速电机，所述第一真空伺服减速电机的输出轴通过第一联轴器与第一中心滚珠丝杆相联接；所述第一中心滚珠丝杆为阶梯轴，所述阶梯轴的两端分别通过第一双列角接触球轴承和第一深沟球轴承支承于所述第一轴承支座和第二轴承支座之间，第一螺套以滚动螺旋配合套装在所述第一中心滚珠丝杆的螺纹轴段上；第一移动平板固装于所述第一螺套上；设置第一移动平板导向结构，是在所述第一中心滚珠丝杆的两侧平行设置第一导向杆，所述第一导向杆的一端固装于第一轴承支座上，另一端通过第一套筒固装于第二轴承支座上，所述第一移动平板利用第一直线轴承支承在所述第一导向杆上，使所述第一移动平板在所述第一螺套的带动下可以在第一导向杆上轴向移动；在所述第一矩形底板上、位于所述第一中心滚珠丝杆的正下方设置有第一光电开关，所述第一光电开关位于第一轴承支座和第二轴承支座之间设定位置处；
[0034]所述前体节侧向定位模块中外侧对开支撑子模块和内侧对开支撑子模块具有如下相同的结构形式:
[0035]在所述对开支撑子模块固定支座和第一移动平板的旁侧设置大平板，在所述大平板的内侧与对开支撑子模块固定支座的相对位置处固定安装联接板，在所述大平板的内侧与第一移动平板的相对位置处固定安装滑轨，所述滑轨与第一中心滚珠丝杆的轴线平行，在所述滑轨上滑动配合有滑块；平行设置的第一上连杆和第一下连杆在一端通过第一上铰支座、第一下铰支座以及第一销轴与对开